电驱动下的环境污染物厌氧生物转化_电子转移原理和应用实例_冯春华

电驱动下的环境污染物厌氧生物转化_电子转移原理和应用实例_冯春华
电驱动下的环境污染物厌氧生物转化_电子转移原理和应用实例_冯春华

电驱动下的环境污染物厌氧生物转化—电子

转移原理和应用实例

冯春华*,谢道海,庞韵梦,韩涛,韦朝海

(华南理工大学工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点室,污染控制与生态修复广东省普通高等学校

重点实验室,环境科学与能源学院,广东广州510006)

摘要:厌氧环境下一些微生物能够接受来自于电极的电子并将电子传递至环境污染物,这使得电驱动下生物还

原技术在可持续性废水处理以及生物修复方面受到越来越多关注.此体系中,阴极电子传递被认为是影响环境污染物厌氧转化可行性和效率的制约因素.文中首先评述可能的电子传递原理,包括水解氢气介导的间接电子传递、人工合成电子穿梭体或者细菌分泌电子穿梭体介导的间接电子传递、以及电极与细菌之间的直接电子传递等途径.相比间接电子传递,直接电子传递避免了将电子传递给没有起作用的介体及没有和电极接触的浮游微生物,因而更加节能.另外,列举了自养反硝化、生物还原脱氯、重金属生物还原、CO 2生物还原以及硫酸盐生物还原等应用实例.最后,提出了此领域研究发展亟需解决的两个重要问题,包括阴极生物膜的培养以及电子从电极转至微生物内在机理的解析.

关键词:微生物电化学反应器;厌氧生物还原;环境污染物;生物阴极;电驱动中图分类号:O646.54

文献标识码:A

微生物电化学技术涉及到环境微生物、电化学、能源、材料等交叉学科,因其在微生物产电[1-2]、微生物电化学制氢[3-4]、微生物电化学修复[5-6]等方面表现出能耗物耗少、操作成本低等特性而受到广泛关注.与传统的微生物技术相比,借助于微生物与电化学相互耦合,微生物电化学技术在环境污染物转化方面展现出优势.微生物与电化学耦合的核心思想是:微生物在外加电场作用下突破微生物反应的动力学和热力学限制,也可以从另外一个角度理解为微生物作为污染物电化学反应的“生物电催化剂”,二者最终目的都是实现污染物的加速降解.

厌氧环境条件下,微生物与电极之间的电子流动包括正反两个方向:其一是电极(通常称为阳极)接受来自微生物的电子使得某些有机或者无机污染物发生厌氧氧化过程;其二是电极(通常称为阴极)提供电子支撑微生物的呼吸过程使得某些有机或者无机污染物发生厌氧还原过程.电子在微生物和电极之间的双向流动具备重要意义,不仅因为电

极与微生物之间的相互作用是微生物呼吸的一种独特的方式,对这种方式的逐渐认识能够加深人们对自然中环境微生物的理解,还因为细菌消耗或者生产电子的能力使得其在生物修复或者生物产电方面具备应用前景.通过嗜阳极菌促使废水中有机污染物电子释放,并被电极收集的微生物燃料电池(Micorbial Fuel Cell ,MFC )技术被认为是极具前景的废水生物处理兼生物产电技术,过去的十几年已有大量的文献报道[1-2,7].但是MFC 发展受到两个关键问题制约:输出功率密度低(目前报道的大部分数值比传统氢氧燃料电池功率密度低3~4个数量级)和工程放大问题多(包括成本、长期运行稳定性及技术成熟性等),如果这两个问题得不到有效解决,必将影响MFC 在废水处理方面的应用[8].

尽管施加电场激发微生物生长早在1956年就有了关于采用阳极电解水制氧以培养微生物的报道[9],电驱动下环境污染物的生物转化方面的研究受关注程度远低于MFC 的研究.相对于嗜阳极细

收稿日期:2012-12-25,修订日期:2013-03-20*通讯作者,Tel:(86-20)39380502,E-mail:chfeng@https://www.360docs.net/doc/8b16964025.html,

国家自然科学基金项目(No.21177042,No.21037001)、广东省自然科学基金项目(No.S2011010002231)及华南理工大学中

央高校基本业务经费(No.2012ZZ0048)资助

电化学

JOURNAL OF ELECTROCHEMISTRY

第19卷第5期

2013年10月

Vol.19No.5Oct.2013

文章编号:1006-3471(2013)05-0444-10

菌广泛存在于自然界(大部分自然界铁还原菌都可以用来产电),嗜阴极细菌尚未被大量发现,目前还没有找到类似于Geobacter 和Shewanella 这样的模型产电菌.而且,嗜阴极生物膜比嗜阳极生物膜难培养,培养时间长,生物膜性质不够稳定,容易从电极上剥落.这就决定了,相比于MFC 研究,通过外加电场作用刺激微生物厌氧转化污染物的实验周期长,实验现象不如MFC 那么直观,通常需要几个月才能观察到较为明显的实验效果.

尽管如此,生物阴极的研究最近也备受关注[10-12].微生物-电极间交互作用的应用范畴逐渐地从产电向耗电的技术转移,即电极作为稳定、长期的电子供体,为污染物降解菌提供能量,在厌氧环境下加速对污染物的降解.对微生物与电极之间电子转移机制理解的深入,将有利于拓宽微生物与电极之间的交互作用在环境修复中的应用范畴.本文评述了电驱动下的环境污染物厌氧生物转化的电子转移原理和相关应用实例.

1电子转移原理

施加外界电场刺激污染物的生物转化过程通常在生物电化学反应器(Bioelectrochemical Reac-

tor ,BER )中进行,尽管反应器内部结构和组成不同,但主要有单室和双室两种结构.无论哪种结构,电子从电极向微生物的转移是BER 系统的核心,

常见的电子转移方式如图1所示[13]:(I)通过阴极电解氢气作为微生物生长代谢的电子供体,最终由微生物传递给末端电子受体(污染物);(II)借助于人工或者细菌自分泌的、具备高氧化还原活性、化学

稳定性的电子穿梭体加强电子传递;(III )直接电子传递.

阴极电解产氢指的是给阴极施加足够大的过电位使水电解产生氢气,所施加的阴极电压不仅电解水,还会还原溶液中其它易还原的有机物或者无机离子,造成产氢电子利用率低,能耗高.当然,阴极氢气也可以通过质子还原获得,但这种方式需用到含贵金属催化剂的电极材料.另外,氢气在水中溶解度小,难被微生物所利用.且在环境应用中,氢气会引发大量不同种类微生物的生长,其过程不具备选择性.

利用具备高氧化还原可逆性的人工电子穿梭体如甲基紫精(Methyl Viologen ,MV )、蒽醌-2,6-二磺酸钠(Anthraquinone-2,6-disulfonate ,AQDS )和中性红(Neutral Red ,NR )等加快阴极电子传递已有不少文献报道[14-16].如图1所示,AQDS 作为电子介质首先被阴极电化学还原,还原后的物质进而被细菌氧化,同时耦合高氯酸还原.这些电子介质通常具备高氧化还原活性及化学稳定性.相比于产氢,电子穿梭体能够在比质子高的氧化还原电位下还原,因此节省了能量.但是电子穿梭体的添加增加了成本,且缺乏长时间运行的稳定性,许多电子穿梭体的毒性阻止了它们在公共环境中应用,而且必须将它们与处理后的污水进行分离.另外,电子穿梭体和氢气加快了浮游微生物的大量繁殖,而不是附着于电极表面细菌的生长[17].尽管如此,人工电子穿梭体的利用可以作为揭示电子转移机制内在机理的工具,也对阴极微生物生长和代谢的调控提

图1电子传递原理示意图[13]

I.通过水解氢气间接电子传递作用于反硝化反应;II.通过加入外部电子穿梭体(如AQDS )间接电子传递作用于高

氯酸还原;III.通过直接电子传递作用于氯代有机物还原

Fig.1Mechanisms of electron transfer [13]

I.Indirect electron transfer via electrolyzed hydrogen for denitrification;II.Indirect electron transfer via AQDS (an-thraquinone-2,6-disulfonate)for perchlorate reduction;III.Direct electron transfer for reduction of chlorinated organic compounds

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电化学2013年

供了可行的方法.

微生物生长代谢过程中自分泌产生的氧化还原介质如Pseudomonas spp分泌的酚嗪(Phenazines)[18]以及Shewanella oneidensis分泌的核黄素[19],可以作为电子穿梭体加快细菌之间及细菌与阳极之间的电子转移.其介导反应既可以发生在周质上,也可以发生在细胞质膜上,甚至发生在细胞质内.同样,阴极细菌自分泌的介质的也有可能在微生物阴极电子传递中起着重要作用.例如,Freguia等[20]发现Acinetobacter calcoaceticus分泌的吡咯喹啉醌(Pirrologuinoline quinine,PQQ)作为可逆的氧化还原介质能够加速生物氧还原反应.另外的证据来源于Aulenta等的三氯乙烯(Trichloroethylene TCE)还原脱氯实验[21],他们在菌悬液中发现了一种未确认的氧化还原介质(氧化还原电位相对标准氢电极为-400mV),来源于脱氯菌的分泌物,可能是酚嗪或核黄素.

相比于上述间接电子传递途径,直接电子传递优点为:1)电子利用率高,能耗少,成本低;2)反应可控性强,改变施加阴极电压可选择性地将电子传递给特定功能菌,使微电刺激驯化培养微生物成为可能;3)细菌主要附着于电极表面上,实现微生物与反应物、产物的有效分离.Thrash和Coates[13]指出直接电子传递是最好的长期由电极提供电子给微生物的方式.阴极直接传递电子到微生物的研究还不如阳极直接电子传递的研究历史长.首次发现这种电子传递途径来自于2004年Gregory等[22]关于厌氧条件下石墨电极提供电子用于硝酸盐和富马酸的微生物还原的实验.细胞色素c在直接阳极电子传递中所起作用已得到证实,但是细胞素色c能否介导直接阴极电子传递需有更多实验证据和分析[23].Lovley[8]认为阴极富马酸还原的Geobac-ter生物膜比阳极醋酸氧化的Geobacter生物膜更薄,二者的基因序列也有着很大不同,去掉某些对产电起着至关重要作用的基因,并不影响阴极生物膜活性.这表明,生物膜与阴极间的电子传递机制可能与生物膜与阳极间的电子传递机制不同[8],阴极直接电子传递机制的探索还需更深入验证.

2应用实例

嗜阴极菌的发现及其在环境污染物转化方面的应用激发了人们研究兴趣.当电极作为电子供体时,所施加的阴极电位应小于并尽可能接近阴极微生物的氧化还原酶的氧化还原电位,后者最终将电子转移给更高氧化还原电位的电子受体.可能的作为电子受体的环境污染物包括硝酸盐、氯代有机物、高氯酸、重金属离子、CO2以及硫酸盐等,以下列举了电驱动下几种环境污染物的厌氧还原转化实例.表1列出了相关污染物生物阴极降解的代表性文献,并比较了生物阴极反应条件、阴极微生物及降解效果.

表1污染物生物阴极降解的代表性文献

Tab.1Representative references of bioelectrochemical reduction of pollutants

污染物实验条件阴极微生物降解效果文献

NO3-双室BER反应器;石墨电极;阴极恒电位-500mV

(相对Ag/AgCl参比电极).Geobacter

metallireducens

1)如果阴极没施加电压或者没有微生物存在,硝酸盐不

能被还原;2)微生物电化学作用条件下硝酸盐被还原

成亚硝酸盐伴随着电流消耗,硝酸盐最大还原速率为

0.3mmol NO3-·L-1·d-1.

[22]

NO3-NO3-双室BER反应器;石墨毡

电极;NR被固定在电极上;

阴极恒电位-600mV(相对

Ag/AgCl参比电极).

双室MFC反应器;石墨颗粒

电极;阳极投加CH3COONa

和NH4Cl,阳极流出液经过

一个好氧阶段将氨氧化成

硝酸根,再进入阴极;外加

电阻5Ω.

Ochrobactrum

anthropi

SY509

从脱氮污泥中

培养的混合菌

1)如果阴极没施加电压或者没有微生物存在,硝酸盐不

能被还原;2)微生物电化学作用条件下硝酸盐被还原

成N2,最大还原速率为23.5mg NO3-·L-1·h-1.

1)在阴极,微生物利用阳极醋酸钠氧化产生的电子将硝

酸盐还原;2)硝酸盐和COD最大同时去除速率为0.41

kg NO3--N·m-3NCC·d-1、2.0kg COD·m-3NCC·d-1,同时

得到MFC最大输出功率34.6W·m-3NCC.NCC:阴极

室净容积(Net Cathodic Compartment)

[30]

[33]

446··

冯春华等:电驱动下的环境污染物厌氧生物转化—电子转移原理和应用实例

第5期

污染物实验条件阴极微生物降解效果文献

ClO4-TCE 双室BER反应器;石墨电

极;阴极恒电位-450mV

(相对Ag/AgCl参比电极);

添加AQDS作为电子介体

双瓶BER反应器;玻碳棒

电极;阴极恒电位-450mV

(相对标准氢电极);MV固

定在电极表面作为电子介

体.

Dechloromonas

agitata,

Dechloromonas

aromatica,及

Azospira

suillum

从盐水湖底泥

中培养的混合

1)在不加电和不加AQDS的对照试验中,高氯酸均没

有明显的被还原;2)Dechloromonas和Azospira菌种在

24h内还原了99mg·L-1高氯酸.

1)当不添加电子介体或没有微生物存在或不加电时,

TCE均不能被脱氯还原;2)微生物电化学作用条件下

TCE脱氯产物有cis-DCE(95%)和VC(5%),TCE脱氯

速率达到0.7μeq·L-1·h-1.

[15]

[38]

PCE 2-CP 双室BER反应器;石墨电

极;阴极恒电位-300mV

(相对标准氢电极).

双室BER反应器;石墨电

极;阴极恒电位-300mV

(相对标准氢电极).

Geobacter

lovleyi

Anaeromyxobac

ter ehalogenans

1)当电极没有G.lovleyi存在或者不加电时均不能产生

TCE和cis-DCE;2)微生物电化学作用条件下PCE被

还原,短暂形成TCE然后转化成cis-DCE;3)电极作为

电子供体的cis-DCE生成速率与使用醋酸钠作为电子

供体时的速率相当.

1)当阴极没有微生物或者不加电时,没有苯酚生成;

2)微生物电化学作用条件下2-氯酚被还原生成苯酚,

获得的最大脱氯速率是24h还原40mmol·L-12-氯酚;

3)这是首次报道使用电极作为微生物电子供体厌氧还

原氯代芳香族化合物.

[40]

[41]

U(VI)双室BER反应器;石墨电极;阴极恒电位-500mV

(相对Ag/AgCl参比电极).Geobacter

sulfurreducens

1)当电极不存在G.sulfurreducens时,溶液中的U(VI)

可以被电化学去除,但当施加的恒电位取消时,U(VI)

又从电极重新回到溶液中;2)当电极存在G.

sulfurreducens时,溶液中的U(VI)被完全去除.

[44]

Cr(VI) SO42-双室MFC反应器;石墨板

电极浸没在石墨颗粒中;阳

极投加醋酸作为电子供体;

外加电阻500Ω.

双室BER反应器;碳毡电

极;阴极恒电位-400mV

(相对于Ag/AgCl参比电

极).

从Cr(VI)污染

的土壤中培养

的混合菌

使用H2从污

水处理厂污泥

驯化得到的混

合菌

1)获得(2.4±0.2)mg·g-1VSS·h-1Cr(VI)还原速率同时

MFC最大输出功率为(2.4±0.1)W·m-3;2)Cr(VI)还

原速率比常规的好氧厌氧技术还原速率(3.4~3.7mg·g-1

VSS·h-1)低,但是比生物阴极MFC反应器运行初期还

原速率提高了5.2倍.VSS:挥发性悬浮固体(Volatile

Suspended Solid)

1)没有微生物存在或者不加电时硫酸盐不能被还原;

2)微生物电化学作用条件下硫酸根被还原成了S2-,最

大还原速率为12.2eq·L-1·d-1.

[48]

[58]

CO2 CO2双室BER反应器;碳布电

极;阴极恒电位范围从-700

到-1200mV(相对Ag/AgCl

参比电极).

双室BER反应器;石墨电

极;阴极恒电位-400mV

(相对标准氢电极).

从产甲烷的微

生物电解池中

培养的混合菌

产乙酸纯菌

Sporomusa

ovata

1)当阴极没有微生物时不能产生甲烷;2)微生物电化

学作用条件下CO2被还原成了甲烷,阴极恒电位-1000

mV时,获得产甲烷速率为200mmol CH4·d-1·m-2,同时

CO2消耗速率为210mmol CO2·d-1·m-2.

1)不存在微生物时没有电流的消耗,也没有有机酸的

生成;2)微生物电化学作用条件下S.ovata消耗电流产

生乙酸和少量的羰基丁酸,生成的乙酸和羰基丁酸占所

消耗电流的电子的86%±21%;3)有S.ovata生物膜的

恒电位反应器运行超过3个月仍然具有消耗电流产乙

酸效果.

[51]

[54]

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··

电化学2013年

2.1自养反硝化

自养反硝化(Autotrophic Denitrification)是以无机碳作碳源、以氢或者还原态硫为电子供体的反硝化生物技术.与异养反硝化相比,自养反硝化优点包括避免了一些有机碳的毒化作用、污泥产量低、反应器容积小、后续处理方便[6].电驱动下自养反硝化理论上是可行的.早期大量研究表明,在BERs阴极,通过水电解产氢气为自养菌的电子供体,促进了反硝化发生[24-29],反应如下:

阴极水解:

2H2O+2e→H2+2OH-(1)阴极自养反硝化:

NO3-+H2→NO2-+H2O(2)

2NO2-+3H2→N2+2H2O+2OH-(3)

电辅助下阴极厌氧反硝化的途径除了上述电解氢气为电子供体促进反硝化外,还包括加入外部电子穿梭体(如NR)[30]介导电子从电极向微生物的传递以及直接电子传递.最早发现电极直接用作为胞外电子供体促进生物阴极反硝化源于Lovley实验室[22].石墨电极上的纯菌生物膜(Geobacter)可直接将电极提供的电子转移于硝酸盐,进而实现硝酸盐的厌氧还原,且所施加的阴极电位不足以使硝酸盐直接发生电化学还原,证实了电刺激下厌氧反硝化反应的存在.另外,尽管阴极也可产生微量氢气,但是其氢气量比硝酸盐厌氧还原量低10000倍以上,因此排除了电解氢气作为电子供体的可能性[22].

近年,直接利用MFC体系中阳极碳氧化产生的生物电子作电子供体,在MFC阴极实现硝酸盐[31-32]以及亚硝酸盐[33]的厌氧生物还原也被报道.这种新型的自养反硝化过程减少了有机化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD),因而被认为是具备相当应用前景的生物技术.Virdis等[32]报道利用MFC技术在阳极实现碳有机物降解,产生电子用以发电,同时在阴极实现反硝化,所需COD/N 为4.5g COD/1.0g NO3--N,低于传统活性污泥所需值(通常大于7).Puig等[34]等进一步发现在阴极离子强度低至(1000μS·cm-1)的含NO3-废水也能在MFC阴极发生还原脱氮,阴极库仑效率高达73%,COD/N比为3.0g COD/1.0g NO3--N,这个比值较传统的异养反硝化菌所需的比值至少小2倍以上.

2.2生物还原脱氯

常规的生物还原脱氯(Microbial Reductive Dechlorination)方法是在被污染区域加入有机底物作为电子供体,有机底物在微生物作用下发酵产生H2提供给脱氯微生物,进而完成氯代有机物的还原脱氯[35].但是这种方法缺乏针对性,不起作用的非脱氯微生物等也会用施加的有机底物生长繁殖,导致能耗升高、效率降低.相对于常规的生物降解,电驱动下的微生物还原脱氯,即通过电极而非有机底物为微生物提供电子,选择性好,在实际应用中所需的监测、维护及能耗等均有优势.

电驱动下微生物还原脱氯的报道首先源于Aulenta实验室[36-38],使用玻碳电极作为双瓶BER 的阴极,在反应器阴极接种用H2驯化好的含有Dehalococcoides spp.的厌氧混合菌,对阴极施加-500mV(相对标准氢电极)的电位,当加入TCE和电子穿梭体MV后,得到了15~20μA电流,同时TCE被还原成了二氯乙烯(Dichloroethylene,DCE)和氯乙烯(Vinyl Chloride,VC).而在没有加入电子介体MV的对照实验,其电流仅3~4μA,基本没有检测出TCE还原产物[36].MV介导的TCE 还原,反应如下[36]:

2MV2++2e→2MV+(4)

TCE+2MV++H+→DCE+2MV2++Cl-(5)

DCE+2MV++H+→VC+2MV2++Cl-(6)除MV以外,Aulenta等[39]发现AQDS也可作为电子穿梭体介导电驱动微生物脱氯,将TCE还原成1,2-二氯乙烯(Cis-dichloroethylene,cis-DCE).由于外源电子介体MV属于高毒性化合物,不能用于水体,且缺乏长期的稳定性,实际应用不具可行性.Aulenta等[21]改进实验,实现了不添加外部电子介体的TCE还原脱氯,施加-450mV(相对标准氢电极)电位给碳纸电极,作为电子供体驯化成熟后的TCE脱氯混合菌接受电子,将TCE脱氯生成DCE和VC.通过循环伏安测试发现,混合菌自身分泌了一种电子介体,帮助电子从电极传递微生物,实现TCE的脱氯还原[21].Aulenta实验室的电驱动微生物脱氯还原研究均涉及电子介体,不论是外源加入的或微生物自己分泌的.而Strycharz等[40]则报道了完全没有电子介体的直接电驱动微生物脱氯.他们在BER中给石墨电极施加-300mV电位(相对标准氢电极),接种纯菌Geobacter lovleyi,同时加入乙酸作为有机电子供体,四氯乙烯(Per-chloroethylene,PCE)作为电子受体,当获得最大25μmol·d-1的脱氯速率后换入新鲜培养液,此时不再加入乙酸(电极作唯一电子供体),发现脱氯过程继

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冯春华等:电驱动下的环境污染物厌氧生物转化—电子转移原理和应用实例第5期

续进行,证实Geobacter lovleyi直接利用电极的电子将PCE脱氯还为DCE[40].

TCE、PCE的电驱动下微生物还原脱氯均作用于相对简单的氯代烃,对于相对复杂的氯代芳香烃的还原脱氯同样得到了证实.Strycharz等[41]用纯菌Anaeromyxobacter dehalogenans实现了对二氯酚的电驱动生物脱氯,即以石墨电极(施加相对标准氢电极-300mV电位)作电子供体,以浓度80μmol·L-1的二氯酚为唯一的电子受体,初始时加入10 mmol·L-1醋酸钠作有机电子供体.反应器运行后,随着反应溶液的数次更换,醋酸钠浓度逐渐减少直至完全消失,电极此时作为唯一电子供体,在此情况下,出现了二氯酚减少、苯酚增加的现象,而且当不给电极供应电子,苯酚产生立刻停止,这说明Anaeromyxobacter dehalogenans接受电极上的电子将二氯酚脱氯还原成苯酚[41].

与有机氯代物的电驱动微生物脱氯研究相比,对高氯酸盐的厌氧还原脱氯也被证实.2007年Thrash[15]等完成有电子介体存在下的高氯酸盐电驱动还原,即在BER中,阴极电极保持-450mV电位(相对Ag/AgCl参比电极),接种活性混合菌并加入AQDS,24小时还原99mg·L-1高氯酸盐,不加AQDS、不接种混合菌或者不施加电压均不能完成还原反应.Trump等[42]也证明热力学上AQDS的还原态AH2DS可以作为高氯酸盐还原的电子供体,用H2将AQDS还原成AH2DS,往含AH2DS的溶液中分别加入硝酸盐、高氯酸盐、硫酸盐,接种相对应的活性微生物,并发现硝酸盐和高氯酸盐能被还原,而电负性较高的硫酸盐则不能被还原.另外,利用MFC阳极产生的生物电子作电子供体,在MFC的生物阴极也可实现高氯酸盐还原[43].

2.3生物重金属离子还原

微生物电化学方法处理重金属污染物的报道最初源于处理放射性污染物铀[44].例如,Geobacter species用有机物作为电子供体,将溶解态的U(VI)还原成相对不易溶解的U(IV).Lovley等[44]用施加-500mV电位(相对Ag/AgCl参比电极)的石墨电极取代有机电子供体,在Geobacter的作用下U(VI)被还原为U(IV)并沉积在电极表面,当电极从被污染环境中取出时,铀沉积物便能随电极从环境移除.

另一种研究较多的重金属污染物是铬.2008年Wang等[45]在厌氧条件下,利用MFC系统中阳极碳氧化产生的生物电子作供体,在阴极上Cr(VI)得到电子被还原,但这里阴极Cr(VI)还原没有微生物介入,仅仅是纯电化学反应结果.随后,Tandukar 等[46]使用生物阴极MFC实现了Cr(VI)还原,即在阴极接种有脱氮能力的混合菌,不加任何有机电子供体的情况下将Cr(VI)还原成Cr(III).此外,Huang 等[47-49]也对MFC条件下生物阴极还原铬进行了条件优化.他们发现在MFC阴极施加-300mV(相对氢电极)恒电位,能够缩短生物阴极MFC启动时间,加快了Cr(VI)阴极生物还原[47];石墨纤维作电极材料比石墨毡或石墨颗粒表现出更佳的电池性能以及更快的Cr(VI)还原速率[48-49].

2.4CO2生物还原

CO2是碳的最高价氧化产物,在厌氧条件下,CO2能作为微生物电化学反应器中阴极的电子受体.1999年,Park等[50]发现保持阴阳两极之间0.3~ 0.35mA电流,阴极电位相对阳极为-1.5V,以NR 为电子介体,微生物能利用阴极传递的电子将CO2还原成CH4,首次证实了电驱动甲烷产生的可行性.随后,Cheng等[51]发现施加负的电位使电极作电子供体,产甲烷菌能直接接受阴极输出的电子将CO2还原,并排除电解产生氢气作为电子供体的可能性.Villano等[52]则发现电驱动下CO2还原成CH4,可同时通过电解产氢作为电子供体和电极直接作为电子供体两种机制实现,在反应过程中具体哪种机制起作用,取决于施加的阴极电位,当阴极电位从-650mV降至-900mV(相对标准氢电极),随产氢增加,反应器中微生物产甲烷量也迅速增加.此外,直接利用MFC系统中阳极有机底物氧化产生的生物电子作为供体,在MFC阴极实现CO2的厌氧生物还原也已报道.Cao等[53]在MFC的阴极接种光营养污泥,证实在光照条件下,微生物能够从阴极电极上接受来自于阳极有机底物氧化产生的电子,将溶解态的CO2(碳酸氢钠)还原.

CO2在电驱动下除了可以被生物还原为CH4,还可以被还原成多碳有机物.Nevin等[54]报道产乙酸纯菌Sporomusa ovata在石墨毡上形成的生物膜能直接接受电极供给的电子,当电极保持-400mV (相对标准氢电极)电位时,Sporomusa ovata将CO2还原成乙酸和少量羰基丁酸(2-Oxobutyrate).此后,Nevin等[55]用相同的方法研究一系列产乙酸菌,发现有三株纯菌可以在电驱动下将CO2还原成乙酸或者羰基丁酸.

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电化学2013年

2.5生物硫酸盐还原

电驱动下SO42-的厌氧还原也有报道.Cordas 等[56]发现含纯菌Desulfovibrio desulfuricans的BER 中加入乳酸,同时保持电极电位-400mV(相对饱和甘汞电极),六天观察到明显的负电流峰,并且检测到反应器里的SO42-被还原成S2-.虽然乳酸和电极均为电子供体,但是负的电流峰说明微生物接受了电极电子将SO42-还原[56].Yu等[57]对一株硫酸盐还原菌Desulfovibrio caledoniensis进行研究,当电极施加-610mV(相对标准氢电极)电压时,微生物接受电极电子在氢化酶的作用下产生H2,而H2作为电子穿梭体促使SO42-还原.最近,Su等[58]报道在BER中对阴极施加-400mV的恒电位(相对Ag/AgCl参比电极),活性混合菌接受电极电子将SO42-还原成S2-,并且CV测试证实这个过程没有任何电子介体参与,这是首例没有电子介体参与的电驱动下硫酸盐生物还原的报道.

3展望

鉴于生物阴极在环境污染物修复方面的应用前景,考虑到目前广泛研究的MFC技术与传统的废水生物处理技术相比起来在成本和效率上并不具备明显的优势,许多在微生物电化学领域与环境相关的研究者逐渐将研究重心从微生物产电向微生物耗电转移,后者应用于多种环境污染物的厌氧还原转化已经得到证实.

因起步相对较晚,许多基础问题尚待深入的研究,作者认为亟待解决的两个主要问题:

1)嗜阴极生物膜的有效、快速培养.目前很多研究还是通过采用培养嗜阳极生物膜的方法,即首先在电极表面上生长出能够与电极进行电子传递的细菌,再研究这种具备电化学活性的生物膜是否也可以接受来自于电极的电子.显然,这种方法不仅耗时,而且对所还原的目标污染物针对性不强,实验结果存在偶然性,不能判明当这种嗜阳极生物膜用在生物阴极时,是否能够最终将电子传递给多种污染物还是只能传递给某种特定污染物,或者根本不能作为生物阴极.鉴于嗜阴极生物膜培养的随机性以及目前还没有发现类似于嗜阳极的模型菌种(如Geobacter Sulfurreducens,Shewanella Onei-densis),这就要求人们需要在这方面进行更科学的尝试,提出更合理培养嗜阴极生物膜的方法.直接通过阴极施加不同的电位来驯化培养针对不同模型污染物的嗜阴极细菌可能是一种有效方法,当以固体阴极作为电子供体时,控制阴极电位即是控制了供应细菌生长的热力学能量.当外部电位改变时,不同的菌体需经不同的呼吸途径以最大化利用外加的能量,同时兼顾最终电子受体(污染物)还原热力学和动力学状况,以驯化出选择性强的微生物.

2)细菌从阴极获取电子的生物化学内在机理.文中已提出了一些可能的电子传递原理,但目前这方面的研究还是沿袭阳极电子传递模式.生物阴极电子传递是否存在根本不同于生物阳极电子传递的新方式?这需要更科学的实验设计,并结合相关基因和蛋白分析的分子生物学技术以及微生物电化学分析技术,进一步阐释阴极与微生物的相互作用.

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Anaerobic Biotransformation of Environmental Pollutants Stimulated by Electric Field:Electron -Transfer Mechanisms and

Application Examples

FENG Chun-hua *,XIE Dao-hai,PANG Yun-meng,HAN Tao,WEI Chao-hai

(College of Environment and Energy,the Key Lab of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters of Ministry of Education,the Key Laboratory of Environmental Protection and Eco -Remediation of Guangdong Regular Higher Education Institutions,South China University of Technology,Guangzhou 510006,China )

Abstract:

The ability of some microorganisms to accept electrons from an electrode for the reduction of terminal electron

acceptors in anaerobic environments,has attracted growing interest on the electric field-stimulated biological reduction technology which may open new possibility for the sustainable wastewater treatment and bioremediation in the field of environmental engineering.Here,we reviewed the extracellular electron transfer mechanism which is thought to play a key role in determining the feasibility and efficiency for the anaerobic biotransformation of environmental pollutants.Possible mechanisms that may be involved in bioelectrochemical reactors (BERs)with biocathodes include indirect electron transfer via hydrogen generated from water electrolysis or via a soluble mediator that can be artificial or secreted from bacteria,and direct transfer from the cathode to the microorganism.Direct electron transfer has many advantages over indirect electron transfer because it avoids the loss of electrons to unused mediators and planktonic cells,and thus allows significant reduction in power requirements.In addition,potential application examples of anaerobic biotransformation of environmental pollutants,known as autotrophic denitrification,microbial reductive dechlorination,heavy-metal bioreduction,CO 2bioreduction,sulfate bioreduction stimulated by an applied electric field were also reviewed.Finally,we proposed that more efforts should be made on developing new strategies for growing cathode biofilms and further disclosing biochemical mechanisms for the cathode extracellular electron transfer,in order to achieve the promising applications of this biotechnology.

Key words:

bioelectrochemical reactors;anaerobic bioreduction;environmental pollutants;biocathode;electric filed

stimulation

453··

农业环境学分析

《农业环境学》复习资料 第一章绪论 1、名词解释 农业环境:指农业生物(主要指各种栽培植物、林木植物、牲畜、家禽和鱼类等)正常生长繁育所需的各种环境要素的综合整体,主要包括水、土壤、空气、光照、温度等环境要素。 环境问题:从广义理解,就是由自然力或人力引起生态平衡破坏,最后直接或间接影响人类的生存和发展的一切客观存在的问题,都是环境问题;从狭义理解,只是由于人类的生产和生活活动,使自然生态系统失去平衡,反过来影响人类生存和发展的一切问题。 农业生态系统:人类按照自身的需要用一定的手段来调节生物种群和非生物环境间的相互作用,通过合理的能量转化和物质循环来进行农产品的生产的生态系统是一个经过人工驯化的特殊系统。 生物多样性:指地球上所有的生物包括植物、动物和微生物的物种及基因的数量和出现率。 生物监测:利用生物个体、种群或群落对环境污染或变化所产生的反应进行定期、定点分析与测定以阐明环境污染状况的环境监测方法。 生物评价:用生物学方法评价环境质量的现状及其变化趋势。 生态农业:在经济和环境协调发展的思想指导下,在总结和吸取了各种农业实践的成功经验的基础上根据生态学原理,运用现代科学技术方法所建立和发展起来的一种多层次、多结构、多功能的集约经营管理的综合农业生产体系。 大气污染:指大气中一些物质的含量达到有害的程度,以至破坏人和生态系统的正常生存和发展,对人体、生态和材料造成危害的现象。 气温垂直递减率:通常用r表示,r=—dt/dz,表示大气实际温度每升高单位高度(每单位高度取值为100m)降低的数值 急性伤害:在污染物浓度较高的条件下,短时间内(几小时至1~2天内)植物就出现明显伤害症状,一般易于发现。 慢性伤害:污染物浓度较低的情况下,经长时间接触(几十天)后,植物逐渐出现一些不良反应,表现生长不够茂盛,生育不良,受伤害症状不明显或逐渐显现出来。往往不易被人们注意。 水体污染:主要指人类活动排放的污染物进入水体中(河流、湖、地下水),使水体的物化性质及生物群落组成发生变化,降低了水体的使用价值。 COD:用化学氧化剂氧化水中有机物质所需的氧气量 BOD5:表示20?C的条件下培养5天时的水中有机物轻微分解时所需的O2量mg/L 水体富营养化:指湖泊、水库、海湾等封闭、半封闭水体中接纳过多NP营养元素水体初级生产力提高,某些特征性藻类异常增殖,使水质恶化的过程。 污水土地处理系统:是一类将污水引入田间,利用土壤-植物系统的净化能力使污水得到净化的污水处理方法,土壤对污水的净化机制是十分复杂的,其中包括过滤、吸附等物理过程和离子交换吸附的物理化学反应,生成沉淀的化学反应,靠微生物代谢作用降解有机物的生物化学反应等。土壤污染:人类在生产和生活活动中所产生的一些污染物、废弃物直接或通过大气、水体间接进入土壤环境;使土壤中添加了某些本来不存在的有害物质或使土壤中某些固有成分大量增加。如果进入土壤中的污染物质的数量和速度超过了土壤本身的自净能力时,就会使污染物逐渐积累,改变土壤成分的组成,导致土壤理化性质变劣,肥力下降,从而影响作物生长、发育,影响农产品的产量和品质。或者有毒物质被作物吸收,在农产品中残留,通过食物链危害人体和动物健康,这种现象称之为“土壤污染”。 土壤环境容量:一般讲土壤所允许承纳污染物质的最大数量称为土壤环境容量。 土壤环境背景值:在不受或很少受现代工业污染与破坏和不受或很少受人类活动影响下,土壤原来固有的化学组成和结构特征。

基于生物电子等排体的药物设计

基于生物电子等排体的药物设计 1.生物电子等排体的概念 生物电子等排体的概念脱胎于物理化学家Langmuir 在1919年提出的化学电子等排体的概念。狭义的电子等排体是指原子数、电子总数以及电子排列状态都相同的不同分子或基团。如N 2与CO ;CH 2=C=O 与CH 2=N=N 等。广义的电子等排体是指具有相同数目价电子的不同分子或基团,不论其原子及电子总数是否相同。如-F 、-OH 、-NH 2;-O-、-CH 2-、-NH-等。近代生物电子等排体的概念认为:生物电子等排体不仅应具有相同总数外层电子,还应在分子大小、形状(键角、杂化度)、构象、电子分布(极化度、诱导效应、共轭效应、电荷、偶极等)、脂水分布系数、pKa 、化学反应性(代谢相似性)和氢键形成能力等方面存在相似性。这些参数并不要求完全相似,仅在某些重要参数上相似即可。 2.生物电子等排体的分类 1970年,Alfred Burger 等人将生物电子等排体分为经典的生物电子等排体与非经典的生物电子等排体两大类。 经典的生物电子等排体包括,一价原子和基团(如-OH 与-NH 2)、二价原子与基团(如-CH 2-与-O-)、三价原子与基团(如=N-与=CH-)、四价原子与基团(如=C=与=Si=)。非经典的生物电子等排体包括,环与非环结构、可交换的基团(如羧基与四氮唑)、基团反转(如-COOR 与-OCOR )。 非经典的生物电子等排体,即前述的近代生物电子等排体概念,它不是简单地满足经典生物电子等排体的立体性和电性规则。 3.生物电子等排体在药物设计中的应用举例 3.1 一价原子或基团的取代 在抗炎药的研究过程中,人们一直致力于寻找选择性的环氧合酶-2(COX-2)抑制剂。先导化合物SC-58125(化合物1)具有很高的COX-2选择性和抑酶活性,但其半衰期却超过200小时,将其结构中的-CH 3用-NH 2取代,-F 用-CH 3取代,得到化合物celecoxib (化合物2),于1999年由辉瑞/西尔公司引入巴西市场,用于治疗类风湿性关节炎和其他炎症,成为第一个选择性的非甾体抗炎药,且无胃刺激性的副作用。 N N CF 3 F S O N N CF 3 H 3C S H 2N O O 1 2 3.2 二价原子或基团的取代 吩噻嗪类抗精神失常药氯丙嗪(化合物3)杂环中的-S-和-N-被其电子等排体-CH 2CH 2-和=C=取代,得到了抗抑郁药丙咪嗪(化合物4)和阿米替林(化合物5)。对七元环进一步修饰,-CH 2-被电子等排体-O-取代,产生了精神病治疗药物多赛平(化合物6)。

生物芯片的基本原理

第二章生物芯片的基本原理 § 2.1 生物芯片的基本概念 一般而言,我们所指的芯片是以硅晶体为材料制造的用来存储信息、进行科学计算等用途的半导体器件,如各种计算机芯片。硅芯片是通过电路高低电平来表示逻辑1或逻辑0,不同的0,1组合可以代表自然界的一切信息,从而方便存储。生物电子芯片与硅芯片有很大的相似之处。20世纪70年代,人们发现脱氧核糖核酸(DNA, Deoxyribonucleic acid)处于不同的状态可以代表信息的存在或没有信息。这一发现引起科学家们的极大兴趣,科学家们立即投身到生物电子元件这一研究领域[1]。 80年代初,国际上提出了“生物芯片”这一概念,形象地把微电子集成电路技术与生物活性分子功能结合,提出构建具有生物活性的能够获取存储信息并进行处理和传输的微生物构件(微功能单元),以达到仿生信息处理的目的。在此基础上诞生了“分子电子学”。 90年代以来,在美国硅谷又兴起了研究和开发“生物芯片”的热潮[1][2]。这一“生物芯片”的概念是指运用大规模集成电路的光刻技术以及生物分子的自组装技术,在一微小芯片上组装成千上万个不同生物分子(DNA,蛋白质,多肽,细胞等)微阵列,实现生物分子信息的快速、并行、大规模检测[1][3]。 芯片分析的实质是在面积不大的基片表面上有序地点阵排列了一系列固定于一定位置的可寻址的识别分子。结合或反应在相同条件下进行。反应结果用同位素、化学荧光法、化学发光法或酶标法显示,然后用精密的扫描仪或CCD摄像技术记录。通过计算机软件分析,综合成可读的IC总信息[3][4][5]。 芯片分析实际上也是传感器分析的组合。芯片点阵中的每一个单元微点都是一个传感器的探头[6]。所以传感器技术的精髓往往都被应用于芯片的发展。阵列检测可以大大提高检测效率,减少工作量,增加可比性。所以芯片技术也是传感器技术的发展。 生物芯片的概念来自计算机芯片,但是到90年代初以后,在人类基因组计划的推动下,才得以迅速发展起来。

农业生物环境工程课程教学大纲

农业生物环境工程课程教学大纲 Agricultural Bioenvironmental Engineering 一、课程基本情况 课程编号:09111130 课程总学时: 40,其中:讲课:38,实验:0,上机:0,实习:2,课外:0 。课程学分:2.5 课程分类:必修 开课学期:春 开课单位:水利与土木工程学院农业建筑与环境工程系教研室 适用专业:农业建筑环境与能源工程 所需先修课:农业生物环境原理,流体力学、热工基础 课程负责人:马承伟 二、课程内容简介(中英文对照) 本课程主要讲授现代设施农业生物环境工程的基础理论和技术原理、工程设计和计算方法。包括农业设施中的采暖、通风和降温等环境调控共性技术的原理、系统设计与设备配置,采暖负荷及通风量等设计参数的计算方法;温室光照环境、 施肥以及湿度环境的调控技术与设备工采暖与保温节能、通风换气与降温、CO 2 程,介绍各类温室以及无土栽培与植物组织培养等现代化设施;畜禽舍的温度环境调控与保温节能、通风换气、光照环境等调控技术与设备工程,各类畜禽舍的特点和环境调控系统的设计配置;畜禽废弃物的理化和生物学特性、废弃物的收集、输送和贮存、处理和资源化利用的技术与工程。 通过本课程的学习,使学生掌握设施农业生物环境工程的基础理论和专业知识,得到进行设施环境调控工程设计的基本技能初步训练,具备解决现代设施农业生产实际中有关环境调控工程与科研问题的初步能力。 The basic theory, principles of technology, engineering design and calculation methods of modern agricultural bio-environment engineering are taught in the curriculum. It includes the principles, system design and equipment configurations for general environmental control technologies (such as heating, ventilation and cooling) in agricultural facilities, and the calculation methods of design parameters (such as heating load and ventilation rate, etc.). As the applications of environment control technologies to several production fields in

生物电子等排体

生物电子等排原理在药学设计中的应用 敬娟 (西南交通大学生命科学与工程学院,四川成都610031) 摘要:生物电子等排原理在药物设计和结构修饰中起着重要作用。本文介绍了生物电子等排体的概念,分类以及常见的生物电子等排体在药物优化中应用。 关键词:生物电子等排体;药物设计;结构修饰 中图分类号:R97 Applications of Bioisosterism in Pharmaceutical Design JingJuan (School of Life Science and Engerring,Southwest Jiaotong Universty,Chengdu,Sichuan,610031)Abstract: Bioisostere principle plays an important role in drug design and structural modification. Concepts and classifications of bioisosteres and applications of common bioisostere in drug optimization have been introduced in this paper. Key word: Bioisostere; drug design; structure modification 我国医药生产多年来以仿制为主,为保障我国人民健康做出来出色贡献。可是,随着我国经济的日益开放,我们必须将立足点逐渐转移到自己创制新药上来。创制新药的战术,应先易后难。将已有的药物或活性物质进行局部化学结构改造,一方面较易从事,另方面保持高效,开发另具特色新药的可能性较大[1]。在药物结构改造中,生物电子等排体发挥着决定性的作用。生物电子等排体除了常见的一价、二价、三价和四价原子与基团外,还包括环与非环结构、可交换的基团、基团反转。 1.生物电子等排体的概念 “生物电子等排”(bioisosterism)是由早期的“电子等排”(isosteriam)发展和延伸来的。早在1919年Langmuir就在无机化学中提出了“电子等排体”(isostere)的概念,即凡是具有相同数目的原子和电子,并且电子排列状况也相同的分子、原子或基团(离子)称为电子等排体[2]。如N2和CO、N2O和CO2、N3-和NCO-等属于电子等排体,具有相似的性质。苯、噻吩和吡啶的理化性质很相似,为解释它们之间的相似性,1916年Hinsberg提出“环等价部分”(ring equivalents)概念,即当芳香环的等价部分相互替代时,理化性质不会显著的改变,如-S-与-CH=CH-、-N=与-CH=为两对环等价部分[3]。此后,Hückel将Hinsberg的等价概念推广到其他有机物和无机物中,认为-CH3、=CH2和≡CH分别与F、O、N相当而可以相互替代。Grimm综合了Hinsberg和Hückel的等价部分概念并加以扩大:凡分子或原子团具有相同数目的价电子,都称为电子等排体。并于1925年提出“氢化物替代规律”(hydride displacement law),该规律描述了具有相同价电子数但不同原子数的官能团之间的理化相似性,它的含义为:从元素周期表第Ⅳ主族起,任何一种元素与一个或几个氢原子结合形成的分子或原子团称为假原子(pseudo atom),假原子之间互为电子等排体。如CH和N相似,CH2与NH及O相似。1932年,Erlenmeyer将电子等排体的概念进一步扩大:凡外围电子数目相等者均是电子等排体,并首次将电子等排概念与生物活性联系起来,用其解释电子等排体生物活性的相似性。1947年,Hansch提出,凡在同一标准的实验系统中能引起相似生化或药理作用的化合物均是电子等排体。1951年,Friedman考虑到电子等排概念在分子药理学中的广泛应用,把有关物质的理化性质与生物活性联系起来,提出了“生物电子等排”及“生物电子等排体”等新概念。至此,电子等排体已经突破了应用在医药化学领域中的传统内涵。

农业生物环境原理课程建设报告.doc

农业生物环境原理课程建设报告 水利于土木工程学院施正香 一、课程建设的必要性 “农业建筑环境与能源工程专业”是一个融农业、生物、环境、建筑、工程于一体的多学科交叉专业。该专业与社会的人口问题、粮食问题、就业问题、文化发展问题等重大问题都有密不可分的联系。该专业所培养的人才在促进我国农业生产的规模化、规范化发展,增加农业生产技术的科技含量等方面取得了令人瞩目的成绩。到目前为止,全国已有18所院校设有这个专业,《农业生物环境原理》作为该专业的一门主干课程已为有关院校“农建专业”认同,在本科生教学中均开设此课程。 21世纪将是新农业科技革命与农业科技产业蓬勃发展的世纪,农业科技产业的特点,一是科学观念新和技术层次高;二是产品与生产需求细腻相融,工艺与农艺密切结合;三是高度多元化和商品化。由于资源和人口问题,我国未来农业的发展不能回避的两个重要问题:1)如何在有限的土地资源上生产出足够的粮食,确保21世纪中国的粮食安全.2)随着人民生活水平的提高,人们对高质量绿色食品的追求将成为主导趋势,如何满足,实现的途径何在?综合我国国情,国家只有大力发展节约耕地、水源的现代化、工厂化农业生产才是唯一可行的途径。也只有现代化、工厂化农业的发展才能更进一步振兴我国的农业.目前,由于我国农业生产水平还很低下,非常缺乏在国际市场中的竞争力.面对入世的冲击,只有设施农业具有挑战力,因此只有在我国应该大力发展以农业设施为主的、以达到优质、速生、高产、低耗发展的设施农业,才能改变目前的困境.设施农业是集技术密集型和劳动密集型于一体的行业,由于缺乏高技术人才的参与,我国的设施农业发展较为缓慢,生产力水平低下,已远不能适应社会发展的需要。 为加速培养我国农业现代化和农村城市化发展培养急需高级技术应用人才,尽快让本专业学生明确专业的服务对象,掌握必要的农业生物与环境相互作用的基本原理,了解对农业生产产生重大影响的高新技术,以实现农业生物技术与工程技术的最佳融合,加强“农业生物环境原理"课程建设,是十分必要的。 二、建设目标 经过建设,使本课程从文字教材编写要求和编写方案、媒体编制方案设计、课件编写细目、课堂教学媒体使用说明,到课程学习内容、学习方法和学生学习需求分析、需要掌握的知识点,乃至课程考核要求、考核说明以及课程教学质量保证体系等的每一个环节均按照规范化要求进行具体化,形成课程内容体系完善、教学手段先进、教学方法实用、理论与实践兼顾、多种媒体一体化的本科生精品课程。鼓励学生直接参与教师的科学研究,通过案例教学、综合性实验教学以及个性化教学,培养学生的创新意识,提高

生物电子等排体在药物设计中的应用

生物电子等排体在药物设计中的应用 船本11级药学1班谢海潭20119830144 【前言】 生物电子等排概念最初应回溯到1919 年。当时Langmuir 用它解释具有相同原子数和相同价电子数的分子或离子在理化性质方面的相似性, 如O2-、F- 和Ne, N2和CO, N2O 和CO2, N3和NCO, 以及NO3-与CO32-等。在这些相似分子和离子的基础上, 他确定了21 组电子等排体, 进一步推断这些分子的电子数目和排列状况也相同, 提出了电子等排体( isostere) 的概念, 即凡是具有相同数目的原子和相同数目电子, 并且电子排列状况也相同的分子、原子或基团( 离子) 称为电子等排体。1925 年, Grimm结合了Hinsbeng 和Huckel 的环等价部分概念并加以扩展, 提出氢化物替代规律( hydride displacement law ) , 它的内容是: 从元素周期表中第Ⅳ主族起, 任何一种元素与一个或几个氢原子结合形成的分子或基团称为假原子( pseudoatom) , 即某一元素与一个或两个氢原子结合形成的假原子的性质与比它高1 族或2 族的元素相似。1932 年, ERLENMEYER 将GRIMM定义的电子等排体进一步扩展到外围电子数目相等的原子、离子和分子, 并首先把电子等排概念与生物活性联系起来, 应用其解释电子等排体生物活性的相似性。1947 年, Hansch 提出, 凡在同一标准的实验系统中能引起相似生化或药理作用的化合物均是电子等排体。1951 年, Friendman 把有些分子或基团的理化性质与生物活性联系起来, 提出了生物电子等排及生物电子等排等新概念。至此,电子等排体已经突破了应用在医药化学领域中的传统内涵。1971 年, Arins 指出生物电子等排应是在许多类型化合物中可以相互替换的基团。1979年, Thornber 综合了电子等排体的概念, 提出凡具有相似理化性质且由其产生广泛的相似生物活性的分子或基团都应是生物电子等排体[1]。 【摘要】 随着生物电子等排原理的广泛应用, 生物电子等排体的范围逐渐扩大, 研究者把生物电子等排体分为2 类, 即经典和非经典的生物电子等排体。经典的生物电子等排体包括Grimm的氢化物替代规律及Erlenmeyer 定义所限定的电子等排体。取代基团的形状、大小和外层电子构型大致相同,组成基团的原子数、价键数、不饱和程度及芳香性等方面极其相似, 按照Erlenmeyer 氢化物取代规律可分为一价、二价、三价、四价及环内等价5 种类型。非经典的生物电子等排体不符合Erlenmeyer 的电子等排定义,基团的原子数可以不同,形状和大小变化亦较大,但保留了原药效团的pKa值、静电势能、最高占据分子轨道和最低空轨道等性能,因而仍显示相应的生物活性,如—CO —和—SO2—以及—SO2NH2和—PO( OH) NH2等[2]。 【关键词】 生物电子等排原理药物设计生物活性药效团 1.经典生物电子等排体在药物设计中的应用

医药生物信息学 1

医药生物信息学 生物医学数据应用概述 举例说明常用的数据库,用数据库进行阿尔兹海默症蛋白的筛选。 常用的数据库有PubMed,GWAS,HMBD,TTD,DrugBank,OMIM..... 例:用组学数据挖掘阿尔茨海默病的重用药物 1.获得与AD相关的蛋白质 AD相关的基因:GWAS; AD相关的代谢物质:HMDB; AD相关的蛋白:PubMed检索。 2.将上述与AD相关蛋白与现有药物联系起来 治疗靶标数据库,TTD; 药物数据库,DrugBank database; 筛选出靶标-药物对。 3.获取致病机理和抗AD重用药物的作用模式 资源:检索PubMed; 抽取关于人类和动物药物靶标作用的信息:GOF或LOF; 利用药物数据库中得到的靶标致病机制信息和药物作用模式信息; 合理列出有潜质的抗AD药物。 4.抗AD药物靶标的排序 用特定的算法给靶标打分: 与疾病-靶标相关程度(标准1和3) 支持AD发病机制证据的强度(标准2) 5.候选靶标和重用药物的计算分析:检验。 例:用组学数据挖掘阿尔茨海默病的重用药物 1.获得与AD相关的蛋白质 AD相关的基因:GWAS(Genome-wide association study)全基因组关联分析 (基因组学) AD相关的代谢物质:Human Metabolome Database(HMDB) 与两种以上代谢物质有关的蛋白(代谢组学数据)AD相关的蛋白:PubMed检索,如“Alzheimer’s disease and proteomics”等。 (蛋白质组学、表观基因组学) 524个与AD有关的蛋白 2.将上述与AD相关蛋白与现有药物联系起来 治疗靶标数据库,TTD(Therapeutic Target Database) 药物数据库,DrugBank database 筛选出靶标-药物对:药物必须是批准或者通过临床试验检验的,分别从两个数据库中抽取:1)药物靶标名字;2)药物名;3)药物原来适应症;4)药物作用模式等信息。 496种药物,97种蛋白 3.获取致病机理和抗AD重用药物的作用模式 资源:检索OMIM database、PubMed 抽取关于人类和动物药物靶标作用的信息:

《典型污染物在环境各圈层中的转归与效应》重点习题及参考答案

《典型污染物在环境各圈层中的转归与效应》 重点习题及参考答案 1.为什么Hg 2+和CH 3Hg +在人体内能长期滞留?举例说明它们可形成哪些化合物? 这是由于汞可以与生物体内的高分子结合,形成稳定的有机汞络合物,就很难排出体外。此外,烷基汞具有高脂溶性,且它在生物体内分解速度缓慢(其分解半衰期约为70d ),因而会在人体内长期滞留。 Hg 2+和CH 3Hg + 可以与羟基、组氨酸、半胱氨酸、白蛋白形成络合物。甲基汞能与许多有机配位体基团结合,如—COOH 、—NH 2、—SH 、 以及—OH 等。 2.砷在环境中存在的主要化学形态有哪些?其主要转化途径有哪些? 砷在环境中存在的主要化学形态有五价无机砷化合物、三价无机砷化合物、一甲基胂酸及其盐、二甲基胂酸及其盐、三甲基胂氧化物、三甲基胂、砷胆碱、砷甜菜碱、砷糖等。

砷的生物甲基化反应和生物还原反应是砷在环境中转化的重要过程。主要转化途经如下: 3.试述PCDD是一类具有什么化学结构的化合物?并说明其主要污染来源。 (1)PCDD这类化合物的母核为二苯并一对二噁英,具有经两个氧原子联结的二苯环结构。在两个苯环上的1,2,3,4,6,7,8,9位置上可有1-8个取 代氯原子,由氯原子数和所在位置的不同可能组合成75 种异构体,总称多氯联苯并一对二噁英。其结构式如右: (2)来源:①在焚烧炉内焚烧城市固体废物或野外焚 烧垃圾是PCDD的主要大气污染源。例如存在于垃圾中 某些含氯有机物,如聚氯乙烯类塑料废物在焚烧过程中可能产生酚类化合物和强反应性的氯、氯化氢等,从而进一步生产PCDD类化合物的前驱物。除生活垃圾外,燃料(煤,石油)、枯草败叶(含除草剂)、氯苯类化合物等燃烧过程及森林火灾也会产生PCDD类化合物。②在苯氧酸除草剂,氯酚,多氯联苯产品和化学废弃物的生产、冶炼、燃烧及使用和处理过程中进入环境。③另外,还可能来源于一些意外事故和战争。

农业生物环境原理 复习题

第一章绪论 1、环境的概念及其分类。 2、生态因子的基本原则。 3、生态系统的组成及其功能。 第二章作物与光 1、名词解释:光照度,太阳高度角,大气透明系数,光合速率, 光饱和度,光补偿点,叶面积系数,生理有效辐射,生理无效辐射,长日照作物,短日照作物。 2、太阳辐射在大气中是如何变化的? 3、太阳光谱分为哪几种,各自的波长范围是多少,对作物有啥作 用? 4、太阳辐射在作物群体中的分布特征。 5、影响作物光能利用率的因素有那些? 6、什么是光周期诱导?实际生产中利用人工控制光周期的目的 是什么? 7、国内外设施园艺发展的特点是什么? 8、设施园艺光照特点是什么? 10、影响设施园艺直射光透光率的因素有那些? 11、如何确定单栋温室的房屋倾斜角? 12、怎样对设施园艺进行环境调节?其意义是什么? 第二章作物与温度 1、名词解释:三基点温度,活动积温,有效积温,春化作用,温室

效应。 2、地球表面的热量平衡是如何实现的?如何进行地表热量平衡的调节? 3、作物对温度有什么要求? 4、什么是温周期现象?节律性变温对作物生产有何作用? 5、设施园艺的热特性及其影响因素。 6、进行设施温度调节的目的和要求。如何进行温度调控? 7、设施园艺夜间变温管理对作物生产的意义. 第四章作物与水 1 名词解释:自由水,束缚水,绝对湿度,饱和水汽压,相对湿度,露点温度,水势,田间持水量,萎焉吸水,蒸腾作用,水分临界期。 2、根系是如何吸水的,其目的是什么,影响根系吸水的主要原因是什么?试分析之。 3、植物体内水分的运输过程。 4、什么是蒸腾作用,其生理作用和影响因子分别是什么? 5、如何根据作物的需水特性满足其生长发育的要求? 6、设施园艺内土壤湿度和空气湿度的变化规律? 7、进行设施内湿度调节的意义和措施。 8、无氧呼吸有何危害? 第五章作物与大气 1、作物群体中CO2的变化规律。 2、为何要施用CO2肥,如何在设施园艺中进行CO2施肥?

浙大农业生物环境工程考试复习

1.以下是题库 2.Effect of bio-filter in a recirculating aquacultural system 生物过滤器在循环养殖系统中的影响 氨态氮浓度、溶解氧浓度、有机物含量、PH值与碱度、水温、水体的对流混合作用 3.Exhaust ventilation? 负压通风 安装在空间一面墙壁上的风机(通常是负压风机)把室内的空气抽出部分,导致室内空气压力瞬时比大气压小或者说比常态压力小,此时空间的另一面(往往是安装负压风机的对面)开有进风口,外界空气在大气压压力下,自动进入空间。因此在空间内形成定向、稳定的气流带。 4.livestock’s contribution to greenhouse gas emissions 畜牧业对温室气体排放的贡献 CO2(9%); CH4(37%); N2O(65%); NH3 (64%) 5.the main pollutant from CAFOs 集中式动物饲养经营的主要污染物 Impact of Air Emissions from CAFOs ?Air emissions from CAFOs present challenges to maintain healthy indoor environment: human and animal health, production efficiency ?Air emissions from CAFOs cause significant environmental impacts: ambient air quality, atmospheric acidity and visibility, and global warming ?Increased air quality regulations (EPA Consent Agreement with CAFOs, EPCRA, developing state regulations on H2S, NH3, and Odor ) created challenges for the viability and growth of the livestock and poultry industries 6.Light in animal production 光在动物生产中的作用 对动物的进食时间产生影响;并能通过调节光强度控制猪舍的温度,影响猪的代谢消耗。7.Main air quality control technologies for animal production 主空气质量控制技术对动物生产的影响(作用) 1、猪场选址与设计 2、通风换气 3、饲养密度 4、卫生 5、湿度、温度 6、加强绿化 7、改进日常操作

生物电子等排及其在新药研究中的应用

生物电子等排及其在新药研究中的应用摘要:探索生物电子等排原理在新药研究中应用的规律,推动新药研究的进展;通过查阅文献资料,阐述生物电子等排的定义及各类生物电子等排的特点、使用范围、典型事例;运用生物电子等排原理所产生的新化合物优于、近于或拮抗原来药物,因而具有投资少、风险小、成功率高的特点。应用生物电子等排体进行新药设计,尤其适合我国制药工业中现有的实际情况。本文简述了生物电子等排的概念、发展、分类及其在药物设计中的应用。 关键词:生物电子等排、结构改造、药物设计 随着数学、物理学、化学、分子生物学、细胞生物学、计算机图形学等相关学科的发展,新药的研究开发已进入一个崭新的时代,成为一门新型的多学科交叉的边缘性学【1~3】。当今,药物合成高速发展,先导化合物的优化是新药研究的有效方法,“生物电子等排取代(bioisosteric replacement)”即为对先导化合物进行合理优化的有效策略之一。这种方法是利用生物电子等排体(bioisosteres)原理取代先导化合物中的某些结构单元,以提高其活性及选择性,并降低毒性等。近年来,“生物电子等排取代”方法在药物先导化合物优化中得以广泛应用【4】,实践证明,运用生物电子等排原理进行药物先导化合物优化可大大加快药物先导物到药物候选物的转化【5~6】。且运用生物电子等排原理所产生的新化合物优于、近于或拮抗原来药物,因而具有投资少、风险小、成功率高的特点。尤其适合我国制药工业中现有的实际情况。生物电子等排原理为设计新药提供了一条相当有实用价值的研究途径,并取得了一定的成效。 1 生物电子等排概念的提出及其发展 “生物电子等排”概念最初应回溯到1919年,生物等排取代中应用到的一个重要概念就是“生物等排体”,它是由早期的“电子等排体(isosetre)”这一概念发展和引申而来的。Langmuir提出“电子等排体”概念,当时是用它来描述那些具有相同原子数和价电子数的分子或离子,如O2-、F-和Ne,N2和CO,N2O和CO2,N3和NCO,以及NO3-与CO32-等。Langmuir 根据其电子等排的概念预言有机化合物中重氮甲烷(CH2N2)与乙烯酮(CH2=C=O,当时尚为未知物)将具有相似的性质,为以后所证实。 1925年,Grimm总结了Hinsbeng和Huckel有关等价的概念,提出了“氢化物取代规律”。该规律描述了具有相同价电子数但不同原子数的官能团之间的理化相似性,它的含义为:从周期表第IV A起,任何一种元素与一个或几个氢原子结合形成的分子或原子团称为假原子,假原子之间互为电子等排体。同一元素与不同数目的氢原子形成的假原子,性质上有差别。但与一个氢原子结合形成假原子的性质与比它高一族的元素相似;与二个氢原子结合的假原子性质与较其高二族的元素相似。例如CH与N相似CH:与NH及O相似。这就是“氢化物置换规律”,可归纳如表1。 表1 氢化物置换规律 1932 电子数目 6 7 8 9 10 11 —C——N——O—F—Ne Na+—CH——NH——OH FH —CH2——NH2OH2 —CH3NH2OH3+ CH4NH4+

高效生物处理技术

高效生物处理技术作为有机废水二级处理的重要手段,广泛应用在工业废水处理和生活污水处理工艺中。随着研究的深入和新工艺、新技术的不断引入,废水生物处理的发展方向也逐渐明朗。江苏瑞达科技致力于为客户提供从清洁化生产、“三废”治理、资源综合利用等方面的项目规划,提供系统、实用的解决方案。江苏瑞达科技给大家介绍一下高效生物处理技术。 高效生物处理技术主要是利用微生物的代谢作用除去废水中有机污染物的一种方法,分需氧生物处理法和厌氧生物处理法两种。好氧处理包括:稳定塘(氧化塘),土地处理,生物滤池,生物转盘,氧化沟工艺,活性污泥工艺等。厌氧处理包括:UASB、厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物滤池、厌氧膨胀床和流化床,以及第三代厌氧工艺EGSB和IC厌氧反应器等。 在同一反应器中复合好氧和厌氧生化过程,并使微生物的悬浮生长和附着生长相结合,

可维持反应器内微生物的多样性,提高生物处理法去除有机污染物的效率。 开发具有高密度生物群、高传质速度的生物反应器,比如深井曝气法等,与传统工艺相比有机负荷可增加到几十倍,提高了设备处理有机物的负荷能力。 发展各种耐水量、水质、毒物、酸碱冲击能力强的工艺,提高出水水质的稳定性,比如AB工艺、SBR 工艺和固定化微生物法等,都在耐冲击负荷能力方面有大的改进。 开发生物处理的细菌系列,对不同污染物寻求高效特性菌,在组合工艺中每一阶段培植特征菌,尽可能提高设备中主体单元的菌浓度,是实施生物处理法的关键所在。 与物理化学方法相结合发展多元组合工艺,比如活性炭生物膜法、生物絮凝法、A/O 工艺和活性生物滤池等,在去除难降解物质和生物脱氮方面都有比较理想的效果。 设备发展的新理念主要体现在传统设备的改进、新材料的应用、设备的集成化和自动控制技术的提高等方面,新设备在结构上有很多的突破,在关键的部件上应用了许多新材料,并且各类设备在自动控制技术方面具有极大的提高,在新型设备中应用各种流量计、浓度计、粒度测量仪和各种传感器,使设备成为动态仪器化处理装置,大大提高了设备的自动化程度和工作效率。在许多关键设备上以小型高效设备取代传统大型设备,还使微生物处理、加药混合化学处理、凝聚与沉降、浓缩和过滤成为一体,用小巧紧凑的模块式组合设备取代传统设备用于水处理中。 由于生物处理工艺的内容和范围很广,而且发展也很迅速,国内外许多行业开发出生物处理工艺新技术和新产品,尤其是研究开发了对高浓度有机废水、生物难降解物质、氮磷营养物质等能够实现有效去除的新工艺和新方法,是当今废水处理领域的热点。生物处理技术因其独特的优点,将在今后进一步得以充实和完善。

第18章 厌氧生物处理

第18章厌氧生物处理 18.1厌氧生物处理的发展 18.1.1 第一代厌氧生物反应器 化粪池、双层沉淀池,厌氧消化池等, 特点: ① 水力停留时间(HRT)很长, ② 虽然HRT相当长,但处理效率仍十分低,处理效果不理想; ③ 具有浓臭的气味, 18.1.2第二代厌氧生物反应器 主要包括:厌氧接触法、厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床(UASB)反应器、厌氧流化床(AFB)、AAFEB、厌氧生物转盘(ARBC)和挡板式厌氧反应器等。 主要特点: ① HRT大大缩短,有机负荷大大提高,处理效率大大提高; ②HRT与SRT分离,SRT相对很长,HRT则可以较短,反应器内生物量很高。 18.1.3第三代厌氧生物反应器 进UASB反应器的广泛应用,在其基础上以颗粒污泥为主要特征的颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器和厌氧内循环(IC)反应器。 18.2厌氧生物处理的主要特征 18.2.1主要优点 1)能耗大大降低,而且还可以回收生物能(沼气)。 2)污泥产量很低。 3)厌氧微生物可以对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解。 18.2.2主要缺点

1)厌氧生物处理过程中所涉及的生化反应过程较为复杂,因此在厌氧反应器运行过程中对技术要求很高; 2)厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感,也使得厌氧反应器的运行和应用受到很多限制和困难; 3)虽然厌氧生物处理工艺在处理高浓度的工业废水时常常可以达到很高的处理效率,但其出水水质通常较差,一般需要利用好氧工艺进一步处理; 4)厌氧生物处理的气味较大; 5)对氨氮的去除效果不好,一般认为在厌氧条件下氨氮不会降低,而且还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化作用导致氨氮浓度的上升。 18.3 厌氧生物处理基本原理 Bryant认为消化经历四个阶段: 1.水解阶段,固态有机物被细菌的胞外酶水解; 2.酸化; 3.乙酸化阶段,指进入甲烷化阶段之前,代谢中间液态产物都要乙酸化 4.第四阶段是甲烷化阶段。 根据厌氧消化的两大类菌群,厌氧消化过程又可分为两个阶段,即:酸性发酵阶段和碱性发酵阶段,如(图 19-1)所示。 1.酸性发酵阶段 两阶段理论将液化阶段和产酸阶段合称为酸性发酵阶段。在酸性发酵阶段,高分子有机物首先在兼性厌氧菌胞外酶的作用下水解和液化,然后渗入细胞体内,在胞内酶的作用下转化为醋酸等挥发性有机酸和硫化物。pH 值下降。 氢的产生,是消化第一阶段的特征,所以第一阶段也称作“氢发酵”。 兼性厌氧菌在分解有机物的过程中产生的能量几乎全部消耗作为有机物发酵所需的能源,只有少部分合成新细胞。因此酸性消化时,细胞的增殖很少。产酸菌在低 pH 值时也能生存,具有适应温度、 pH 值迅速变化的能力。 2.碱性消化阶段

厌氧生物处理作为利用厌氧性微生物的代谢特性

厌氧生物处理作为利用厌氧性微生物的代谢特性,在毋需提供外源能量的条件下,以被还原有机物作为受氢体,同时产生有能源价值的甲烷气体。厌氧生物处理法不仅适用于高浓度有机废水,进水BOD最高浓度可达数万mg/l,也可适用于低浓度有机废水,如城市污水等。 厌氧生物处理过程能耗低;有机容积负荷高,一般为5-10 kgCOD/m3.d,最高的可达30-50kgCOD/m3.d;剩余污泥量少;厌氧菌对营养需求低、耐毒性强、可降解的有机物分子量高;耐冲击负荷能力强;产出的沼气是一种清洁能源。 在全社会提倡循环经济,关注工业废弃物实施资源化再生利用的今天,厌氧生物处理显然是能够使污水资源化的优选工艺。近年来,污水厌氧处理工艺发展十分迅速,各种新工艺、新方法不断出现,包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物滤池、厌氧膨胀床和流化床,以及第三代厌氧工艺EGSB和IC厌氧反应器,发展十分迅速。 而升流式厌氧污泥床UASB( Up-flow Anaerobic Sludge Bed,注:以下简称UASB)工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点,作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源——沼气的一项技术。对于不同含固量污水的适应性也强,且其结构、运行操作维护管理相对简单,造价也相对较低,技术已经成熟,正日益受到污水处理业界的重视,得到广泛的欢迎和应用。

本文试图就UASB的运行机理和工艺特征以及UASB的设计启动等方面作一简要阐述。 [编辑本段] 二、UASB的由来 1971年荷兰瓦格宁根(Wageningen)农业大学拉丁格(L ettinga)教授通过物理结构设计,利用重力场对不同密度物质作用的差异,发明了三相分离器。使活性污泥停留时间与废水停留时间分离,形成了上流式厌氧污泥床(UASB)反应器的雏型。1974年荷兰CSM公司在其6m3反应器处理甜菜制糖废水时,发现了活性污泥自身固定化机制形成的生物聚体结构,即颗粒污泥(granular sludge)。颗粒污泥的出现,不仅促进了以UAS B为代表的第二代厌氧反应器的应用和发展,而且还为第三代厌氧反应器的诞生奠定了基础。 [编辑本段] 三、UASB工作原理 UASB由污泥反应区、气液固三相分离器(包括沉淀区)和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥,具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触,污泥中的微生物分解污水中的有机物,把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出,微小气泡在上升过程中,不断合并,逐渐形成较大的气泡,在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀

农业生物技术复习资料

农业生物技术复习资料 第1章植物组织培养 第1节植物组织培养的原理 植物组织培养:在无菌和人为控制的条件下,培养、研究植物组织器官,进而从中分化发育出整体植株的技术。 植物组织培养的主要特征:(1)在培养容器中进行(2)无菌环境,排除了微生物及害虫等的侵入(3)各种环境因子如营养因子、激素因子以及光照温度等物理因子处于人工控制条件下,达到最适条件。(4)通常打破了正常植株的发育过程和格局。 植物组织培养的类型:按培养材料不同可划分为:完整植株培养、胚胎培养、器官培养、组织培养、细胞培养、原生质体培养。 按培养基类型分为:固体培养、液体培养、半夜半固体培养。 植物组织培养的原理:细胞全能性 细胞全能型:具有完整细胞核的细胞,在适宜的条件下能够分化成完整植株的潜在能力。 全能性体现的两个条件:(1)离体状态(2)一定的外界条件(生长素和细胞分裂素比值高利于生根,比值低利于长芽)。 组织培养流程 再分化 脱分化 外植体愈伤组织组织器官植株 愈伤组织:指植物体的局部受到创伤刺激后 在伤口表面形成具有分裂能力的薄壁细胞 脱分化:已停止分裂的细胞 又重新恢复分裂,成为具有未分化特性的细胞 再分化:已经脱分化的细胞在一定条件下,又可经过愈伤组织或胚状体,再分化出根和芽,形成完整植株,这一过程叫作再分化。 植物组织培养的应用:(1)脱毒快繁(2)用于植物遗传育种:种质资源离题保存、花粉花药培养产生单倍体、胚乳培养产生三倍体、体细胞杂交、克服远缘杂交困难(3)大规模植物细胞、组织和器官培养生产次生代谢产物(4)用于植物研究:生理学、病理学、胚胎学等。 第二节植物组培实验室设计 标准的植物培养实验室应包括:洗涤室、培养基室、接种室、培养室、细胞学实验室。 灭菌种类:物理灭菌(高温高压灭菌、干热灭菌、射线灭菌、过滤灭

生物电子等排在药物设计中的应用

生物电子等排体在药物设计中的应用 摘要 随着数学、物理学、化学、分子生物学、细胞生物学、计算机图形学等相关学科的发展,新药的研究开发已进入一个崭新的时代,成为一门新型的多学科交叉的边缘性学科。我国医药生产多年来以仿制为主,为保障我国人民健康做出来出色贡献。可是,随着我国经济的日益开放,我们必须将立足点逐渐转移到自己创制新药上来。创制新药的战术,应先易后难。将已有的药物或活性物质进行局部化学结构改造,一方面较易从事,另方面保持高效,开发另具特色新药的可能性较大[1]。在药物结构改造中,生物电子等排体发挥着决定性的作用。生物电子等排体除了常见的一价、二价、三价和四价原子与基团外,还包括环与非环结构、可交换的基团、基团反转。 关键词:生物电子等排体药物设计药物创新

前言 1979年, Thornber 综合了电子等排体的概念, 提出凡具有相似理化性质且由其产生广泛的相似生物活性的分子或基团都应是生物电子等排体[1]。随着生物电子等排原理的广泛应用, 生物电子等排体的范围逐渐扩大, 研究者把生物电子等排体分为2 类, 即经典和非经典的生物电子等排体。经典的生物电子等排体包括Grimm的氢化物替代规律及Erlenmeyer 定义所限定的电子等排体。取代基团的形状、大小和外层电子构型大致相同,组成基团的原子数、价键数、不饱和程度及芳香性等方面极其相似, 按照Erlenmeyer 氢化物取代规律可分为一价、二价、三价、四价及环内等价5 种类型。非经典的生物电子等排体不符合Erlenmeyer 的电子等排定义,基团的原子数可以不同,形状和大小变化亦较大,但保留了原基团的pKa值、静电势能、最高占据分子轨道和最低空轨道等性能,因而仍显示相应的生物活性,如—CO —和—SO2—以及—SO2NH2和PO( OH) NH2等[2]。 1生物电子等排体的分类 传统的生物电子等排体可分为经典和非经典两大类。 经典的生物电子等排体包括,一价原子和基团(如-OH与-NH2)、二价原子与基团(如-CH2-与-O-)、三价原子与基团(如=N-与=CH-)、四价原子与基团(如=C=与=Si=)。 非经典的生物电子等排体包括,环与非环结构、可交换的基团(如羧基与四氮唑)、基团反转(如-COOR与-OCOR)。非经典的生物电子等排体,即前述的近代生物电子等排体概念,它不是简单地满足经典生物电子等排体的立体性和电性规则。 前者取代基团的形状、大小和外层电子构型大致相同,在组成基团的原子数、价键数、不饱和程度及芳香性等方面也极其相似,按照Erlenmeyer氢化物取代规律可分为一价、二价、三价、四价及环内等价五大类(见下表)。

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